(57)【要約】【課題】特性変換と階調補正の2つの処理を同一回路で実現することが可能な撮像装置の提供。【課題を解決するための手段】  複数種類の変換特性によって入射光を電気信号に変換する複数の画素を有する撮像素子４と、撮像素子４から出力される電気信号に対して信号処理を行う信号処理部１２とを備え、信号処理部１２は、撮像素子４の出力電気信号を、特性変換処理を施して１つの変換特性によって変換された状態に統一すると同時に階調補正処理を施す階調補正部１３を備えることを特徴とする。【選択図】図１
2007324998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数種類の変換特性によって入射光を電気信号に変換する複数の画素を有する撮像素子と、
前記撮像素子から出力される電気信号に対して信号処理を行う信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記撮像素子の出力電気信号を、特性変換処理を施して１つの変換特性によって変換された状態に統一すると同時に階調補正処理を施す階調補正部を備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
前記階調補正部は、ルックアップテーブルによって前記特性変換処理と前記階調補正処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記複数種類の変換特性は、対数変換特性及び線形変換特性であり、
前記階調補正部は、対数変換された出力電気信号を、前記特性変換処理を施して線形変換された状態に統一すると同時に前記階調補正処理を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記複数種類の変換特性は、変換係数の異なる複数の線形変換特性であり、
前記階調補正部は、互いに傾きの異なる複数の線形変換された出力電気信号を、前記特性変換処理を施して１つの傾きを有する線形変換された状態に統一すると同時に前記階調補正処理を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を電気信号に変換する撮像素子を有する撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、デジタルカメラなどの撮像装置には、入射光を電気信号に変換する複数の画素を有する撮像素子が設けられている。また近年では、入射光量に基づいて入射光を電気信号に線形変換する線形変換動作と対数変換する対数変換動作とを切り換える撮像素子（リニアログ変換型センサ）が提案されている。このリニアログ変換型センサによれば、線形変換動作のみを行う撮像素子と比較して電気信号のダイナミックレンジが広くなるため、輝度範囲の広い被写体を撮影した場合でも全輝度情報を電気信号で表現することができる。
【０００３】
このようなリニアログ変換型センサにおいては、対数信号を線形信号に変換してセンサ出力全体の特性を統一した後に、ガンマ補正等の階調補正を施すようになっている。例えば、特許文献1に記載のように、対数信号を線形信号に変換してセンサ出力特性を統一させる特性変換処理手段としての対数／線形変換回路と、ガンマ補正等を行う階調補正処理手段としてのガンマ補正回路と、をそれぞれ別個に備えるようになっている。
【特許文献１】特開２００２−３３９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、リニアログ変換型センサのようなダイナミックレンジの広い画像信号を扱う場合、特性変換処理手段及び階調補正処理手段で扱う信号はビット幅が非常に大きく、それに伴ってそれぞれの回路規模も大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、特性変換と階調補正の2つの処理を同一回路で実現することが可能な撮像装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、撮像装置において、
複数種類の変換特性によって入射光を電気信号に変換する複数の画素を有する撮像素子と、
前記撮像素子から出力される電気信号に対して信号処理を行う信号処理部とを備え、
前記信号処理部は、
前記撮像素子の出力電気信号を、特性変換処理を施して１つの変換特性によって変換された状態に統一すると同時に階調補正処理を施す階調補正部を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の発明によれば、撮像素子が複数種類の変換特性によって入射光を電気信号に変換して得られた電気信号を出力する。出力された電気信号は信号処理部に受信され、階調補正部が、複数種類の変換特性を持った出力電気信号を、特性変換処理を施して１つの変換特性によって変換された状態に統一すると同時に階調補正処理を施して補正後の電気信号を出力する。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の撮像装置において、
前記階調補正部は、ルックアップテーブルによって前記特性変換処理と前記階調補正処理を行うことを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の発明によれば、撮像素子からの出力電気信号を信号処理部が受信し、階調補正部はルックアップテーブルにより出力電気信号の特性変換処理と階調補正処理を施す。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の撮像装置において、
前記複数種類の変換特性は、対数変換特性及び線形変換特性であり、
前記階調補正部は、対数変換された出力電気信号を、前記特性変換処理を施して線形変換された状態に統一すると同時に前記階調補正処理を施すことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明によれば、撮像素子は、各画素により対数変換特性又は線形変換特性により入射光を電気信号に変換させて電気信号を出力し、信号処理部は撮像素子からの出力電気信号に基づいて特性変換処理及び階調補正処理を施す。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２に記載の撮像装置において、
前記複数種類の変換特性は、変換係数の異なる複数の線形変換特性であり、
前記階調補正部は、互いに傾きの異なる複数の線形変換された出力電気信号を、前記特性変換処理を施して１つの傾きを有する線形変換された状態に統一すると同時に前記階調補正処理を施すことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明によれば、撮像素子に備えられた各画素は、入射光量が増加するほど傾きの小さい線形変換処理に切り替えるので、撮像素子からの出力電気信号のダイナミックレンジが広くなる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、階調補正部により、複数種類の変換特性を持った出力電気信号を、特性変換処理を施して１つの変換特性によって変換された状態に統一すると同時に階調補正処理を施すことが可能であるので、特性変換処理と階調補正処理を別々の回路で行うより回路規模を縮小することができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、階調補正部により特性変換処理と階調補正処理を同時に施すことができるとともに、ルックアップテーブルによって処理を行うので正確かつ高速に処理できる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、撮像素子は、対数変換特性と線形変換特性を切り替えて入射光を電気信号に変換するので、撮像素子から出力される電気信号のダイナミックレンジが広くなり、輝度範囲の広い撮影が可能である。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、撮像素子は、変換係数の異なる複数の線形変換特性を切り替えて入射光を電気信号に変換するので、電気信号のダイナミックレンジを広くして輝度範囲の広い被写体でも全輝度情報を電気信号として出力することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、本発明に係る撮像装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲を図示例に限定するものではない。
【００１９】
図１に示すように、撮像装置１は、レンズ系２及び絞り３を介して入射光を受光する撮像素子４を備えている。これらレンズ系２及び絞り３としては、従来より公知のものが用いられている。
【００２０】
撮像素子４は、図２に示すように、行列配置（マトリクス配置）された複数の画素Ｇ11〜Ｇmn（但し、ｎ，ｍは１以上の整数）を有している。
【００２１】
各画素Ｇ11〜Ｇmnは、入射光を光電変換して電気信号を出力するものである。これら画素Ｇ11〜Ｇmnは、入射光量に基づいて電気信号への変換動作を切り換えるようになっており、後述のように、所定入射光量未満の入射光量に対しては入射光を線形変換する線形変換動作を、所定入射光量以上の入射光量に対しては入射光を対数変換する対数変換動作を行うようになっている。
【００２２】
これら画素Ｇ11〜Ｇmnのレンズ系２側には、それぞれレッド（Red）、グリーン（Green）及びブルー（Blue）のうち何れか１色のフィルタ（図示せず）が配設されている。また、画素Ｇ11〜Ｇmnには、図２に示すように、電源ライン５や信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCn、信号読出ラインＬD1〜ＬDmが接続されている。なお、画素Ｇ11〜Ｇmnにはクロックラインやバイアス供給ラインなどのラインも接続されているが、図２ではこれらの図示を省略している。
【００２３】
信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCnは、画素Ｇ11〜Ｇmnに対して信号φv，φVPS（図３参照）を与えるようになっている。これら信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCnには、垂直走査回路６が接続されている。この垂直走査回路６は、後述の信号生成部２４（図１参照）からの信号に基づいて信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCnに信号を印加するものであり、信号を印加する対象の信号印加ラインＬA1〜ＬAn，ＬB1〜ＬBn，ＬC1〜ＬCnをＸ方向に順次切り換えるようになっている。
【００２４】
信号読出ラインＬD1〜ＬDmには、各画素Ｇ11〜Ｇmnで生成された電気信号が導出されるようになっている。これら信号読出ラインＬD1〜ＬDmには定電流源Ｄ1〜Ｄm及び選択回路Ｓ1〜Ｓmが接続されている。
【００２５】
定電流源Ｄ1〜Ｄmの一端（図中下側の端部）には、直流電圧ＶPSが印加されるようになっている。
【００２６】
選択回路Ｓ1〜Ｓmは、各信号読出ラインＬD1〜ＬDmを介して画素Ｇ11〜Ｇmnから与えられるノイズ信号と撮像時の電気信号とをサンプルホールドするものである。これら選択回路Ｓ1〜Ｓmには水平走査回路７及び補正回路８が接続されている。水平走査回路７は、電気信号をサンプルホールドして補正回路８に送信する選択回路Ｓ1〜Ｓmを、Ｙ方向に順次切り換えるものである。また、補正回路８は、選択回路Ｓ1〜Ｓmから送信されるノイズ信号及び撮像時の電気信号に基づき、当該電気信号からノイズ信号を除去するものである。
【００２７】
なお、選択回路Ｓ1〜Ｓm及び補正回路８としては、特開平２００１−２２３９４８号公報に開示のものを用いることができる。また、本実施形態においては、選択回路Ｓ1〜
Ｓmの全体に対して補正回路８を１つのみ設けることとして説明するが、選択回路Ｓ1〜Ｓmのそれぞれに対して補正回路８を１つずつ設けることとしてもよい。
【００２８】
続いて、本実施形態における画素Ｇ11〜Ｇmnについて説明する。
【００２９】
各画素Ｇ11〜Ｇmnは、図３に示すように、フォトダイオードＰ及びトランジスタＴ1〜
Ｔ3を備えている。なお、トランジスタＴ1〜Ｔ3は、バックゲートの接地されたＮチャネ
ルのＭＯＳトランジスタである。
【００３０】
フォトダイオードＰには、レンズ系２及び絞り３を通過した光が当たるようになっている。このフォトダイオードＰのカソードＰkには直流電圧ＶPDが印加されており、アノー
ドＰAにはトランジスタＴ1のドレインＴ1D及びゲートＴ1Gと、トランジスタＴ2のゲート
Ｔ2Gとが接続されている。
【００３１】
トランジスタＴ1のソースＴ1Sには信号印加ラインＬC（図２のＬC1〜ＬCnに相当）が接続されており、この信号印加ラインＬCから信号φVPSが入力されるようになっている。ここで、信号φVPSは２値の電圧信号であり、より詳細には、入射光量が所定値を超えたと
きにトランジスタＴ1をサブスレッショルド領域で動作させるための電圧値ＶＨと、トラ
ンジスタＴ1を導通状態にする電圧値ＶＬとの２つの値をとるようになっている。
【００３２】
本実施形態の撮像素子４は、入射光量が所定の閾値を超えたときは各画素Ｇｍ１〜ＧmnのトランジスタＴ1をサブスレッショルド領域で動作させることによって、入射光を自然
対数で対数変換した電圧として読み出すことができるようになっている。これにより、撮像素子４の出力信号は、図４に示すように、入射光量に応じて線形領域及び対数領域が連続的に変化するようになっている。
【００３３】
また、図３に示すように、トランジスタＴ2のドレインＴ2Dには直流電圧ＶPDが印加さ
れており、トランジスタＴ2のソースＴ2Sは行選択用のトランジスタＴ3のドレインＴ3Dに接続されている。
【００３４】
更に、トランジスタＴ3のゲートＴ3Gには信号印加ラインＬA（図２のＬA1〜ＬAnに相当）が接続されており、信号印加ラインＬAから信号φVが入力されるようになっている。また、トランジスタＴ3のソースＴ3Sは信号読出ラインＬD（図２のＬD1〜ＬDmに相当）に接続されている。
【００３５】
なお、以上のような画素Ｇ11〜Ｇmnとしては、特開２００２−７７７３３号公報に開示のものを用いることができる。
【００３６】
次に、図１に示すように、撮像素子４にはアンプ９及びＡＤコンバータ（ＡＤＣ）１０を介して、黒基準設定部１１及び信号処理部１２が接続されている。黒基準設定部１１はデジベル信号の最低レベルを設定するものである。
【００３７】
信号処理部１２には、階調補正部１３、ホワイトバランス調整部１４、色補間部１５、色補正部１６、色空間変換部１７が備えられている。これら階調補正部１３、ホワイトバランス調整部１４、色補間部１５、色補正部１６及び色空間変換部１７は、黒基準設定部１１に対してこの順に接続されている。
【００３８】
階調補正部１３は、対数信号を線形信号に変換してセンサ出力特性を統一させる処理（以下、「特性変換処理」）と階調補正処理を合わせて行うものである。階調補正部１３は、それぞれ撮像素子４が備える複数の画素に対応づけて設けられており、複数の画素ごとに異なる信号処理を行うことも可能となっている。
【００３９】
ここで、特性変換処理とは、例えば、図４の矢印Ｚに示すように、撮像素子４からのαｂｉｔの出力電気信号のうちの対数信号を線形信号に変換し、全体でβｂｉｔの電気信号を得る処理のことである。詳しくは、入射光量をｘ、撮像素子の出力信号をｙとして、線形特性をｙ＝ａｘ＋ｂ、対数特性をｙ＝ｃＬｎｘ＋ｄで表すと、対数信号を線形信号に変換する変換式は、変換後の出力をＹとすると下記式（１）で表される。なお、撮像素子４からの出力電気信号が線形信号の場合、特性変換処理を行わずに階調補正処理のみを行うこととしてもよい。
〔式１〕
Ｙ＝ａ exp｛（ｙ−ｄ）／ｃ｝＋ｄ  …（１）
【００４０】
また、階調補正処理とは、例えば図５に示すように、βｂｉｔの入力電気信号をγｂｉｔの出力電気信号に補正する処理のことである。補正特性が図５に示すような一般的なガンマ特性だった場合、階調補正処理への入力をＩとすると、出力Ｏは下記式（２）で表される。なお、補正特性として特に制限は無く、任意の形状が適用可能である。
〔式２〕
Ｏ＝｛Ｉ／（２β―１）｝０．４５＊（２γ―１）  …（２）
【００４１】
本実施形態における階調補正部１３は、このような特性変換処理と階調補正処理の２つの処理を合わせて行うようになっている。また、階調補正部１３は、撮像素子４からの出力電気信号と変曲出力信号値Ｈとの大小を判別して、出力電気信号が変曲出力信号値Ｈより大きい場合には、対数変換動作由来の電気信号が撮像素子４から出力されていると判断するようになっている。そして、階調補正部１３は、撮像素子４からの出力電気信号が対数信号を含む場合は、式（１）で表される特性変換処理と式（２）で表される階調補正処理を同時に行うようになっている。よって、階調補正部１３への入力電気信号（つまり、撮像素子４からの出力電気信号）をｙとすると、出力Ｏは下記式(３)で表される。
〔式３〕
Ｏ＝｛Ｙ／（２β―１）｝０．４５＊（２γ―１）
＝［｛ａ exp（（ｙ−ｄ）／ｃ）＋ｄ｝／（２β―１）］０．４５＊（２γ―１）  …（３）
【００４２】
階調補正部１３は、撮像素子４からの出力電気信号が変曲出力信号値Ｈ以下であり対数信号を含まない線形信号のみと判断した場合、特性変換処理は行わずに階調補正処理のみを施すようになっている。よって、階調補正部１３への入力電気信号をｙとすると、出力Ｏは下記式（４）で表される。
〔式４〕
Ｏ＝｛ｙ／（２β―１）｝０．４５＊（２γ―１）  …（４）
【００４３】
階調補正部１３は、式(３)及び式(４)を満たすルックアップテーブルを備えており、撮像素子４からの電気信号を入力値とし、特性変換処理及び階調補正処理を施した電気信号を出力値として処理を実現するようになっている。
【００４４】
ホワイトバランス調整部１４は、階調補正部１３からの出力電気信号に対してホワイトバランス処理を行うものである。
【００４５】
色補間部１５は、同色の前記フィルタが設けられた複数の近接画素からの電気信号に基づいて、これら近接画素間に位置する画素についてこの色の電気信号を補間演算するものである。色補正部１６は、画像データの色合いを補正するものであり、より詳細には、各色の電気信号を他の色の電気信号に基づき画素Ｇ11〜Ｇmnごとに補正するものである。色空間変換部１７はＲＧＢ信号をＹＣｂＣｒ信号に変換するものである。
【００４６】
以上の信号処理部１２には、図１に示すように、変曲信号導出部２０、評価値算出部２１及び制御装置２２が接続されている。
【００４７】
変曲信号導出部２０は、各条件に応じた変曲出力信号値Ｈを導出し、信号処理部１２の階調補正部１３に出力するようになっている。例えば、撮像装置１に公知の温度検出器を備え、変動する温度データに応じて変曲出力信号値Ｈをルックアップテーブル又は演算式等により導出することとしても良い。
【００４８】
評価値算出部２１は、ホワイトバランス調整部１４でのホワイトバランス処理（ＡＷＢ処理）に用いられるＡＷＢ評価値や、露光制御処理部２３での露出制御処理（ＡＥ処理）に用いられるＡＥ評価値を算出するものである。
【００４９】
制御装置２２は、撮像装置１の各部を制御するものであって、図１に示すように、アンプ９、黒基準設定部１１、変曲信号導出部２０、信号処理部１２、階調補正部１３、ホワイトバランス調整部１４、色補間部１５、色補正部１６及び色空間変換部１７と接続されている。
【００５０】
また、制御装置２２は、露光制御処理部２３を介して絞り３と接続され、信号生成部２４を介して撮像素子４及びＡＤコンバータ１０と接続されている。
【００５１】
露光制御処理部２３は、レンズ系２より集光される光の量を調整する絞り３を駆動制御するようになっている。
【００５２】
信号生成部２４は、撮像素子４の撮影動作を制御するようになっている。すなわち、制御装置２２からの撮影制御信号に基づいて所定のタイミングパルス（画素駆動信号、水平同期信号、垂直同期信号、水平走査回路駆動信号、垂直走査回路駆動信号など）を生成して撮像素子４に出力するようになっている。また、信号生成部２４はＡＤ変換用のタイミング信号も生成するようになっている。
【００５３】
続いて、撮像装置１の撮像動作について説明する。
【００５４】
まず、撮像素子４が各画素Ｇ11〜Ｇmnへの入射光を光電変換し、線形変換動作又は対数変換動作由来の電気信号をアナログ信号として出力する。具体的には、上述のように各画素Ｇ11〜Ｇmnが信号読出ラインＬDに電気信号を出力すると、この電気信号を定電流源Ｄが増幅し、選択回路Ｓが順にサンプルホールドする。そして、サンプルホールドされた電気信号が選択回路Ｓから補正回路２３に送出されると、補正回路２３がノイズを除去して電気信号を出力する。
【００５５】
次に、撮像素子４から出力されたアナログ信号をアンプ９が増幅し、ＡＤコンバータ１０がデジタル信号に変換する。次に、黒基準設定部１１がデジタル信号の最低レベルを設定した後、そのデジタル信号を信号処理部１２の階調補正部１３に送信する。また、変曲信号導出部２０が導出した変曲信号出力値Ｈを信号処理部１２の階調補正部１３に送信する。
【００５６】
階調補正部１３は、出力電気信号に対数信号が含まれるか否かを判断してから、上記式（３）又は式（４）を用いて特性変換処理及び／又は階調補正処理を同時に施す。得られた補正後の電気信号は評価値算出部２１及びホワイトバランス調整部１４に出力される。
【００５７】
続いて、階調補正部１３から出力される電気信号に基づいて評価値算出部２１が前記ＡＷＢ評価値，ＡＥ評価値を算出する。また、算出されたＡＥ評価値に基づいて制御装置２２が露光制御処理部２３を制御し、撮像素子４に対する露光量を調節させる。
【００５８】
また、ＡＷＢ評価値などに基づいて、制御装置２２がホワイトバランス調整部１４を制御し、階調補正部１３から出力される画像データに対してホワイトバランス処理を行わせる。
【００５９】
そして、ホワイトバランス調整部１４から出力される画像データに基づいて色補間部１５、色補正部１６及び色空間変換部１７がそれぞれ画像処理を行った後、画像データを出力する。
【００６０】
以上のように本実施形態の撮像装置１によれば、階調補正部１３により、複数種類の変換特性を持った出力電気信号を、特性変換処理を施して１つの変換特性によって変換された状態に統一すると同時に階調補正処理を施すことが可能であるので、特性変換処理と階調補正処理を別々の回路で行うより回路規模を縮小することができる。また、階調補正部１３は、ルックアップテーブルによってこれらの処理を行うので、正確かつ高速に処理できる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る撮像素子の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る画素の構成を示す回路図である。
【図４】本発明に係る撮像素子の出力信号を示すグラフである。
【図５】本発明に係る階調補正処理を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６２】
１     撮像装置
４     撮像素子
１１   黒基準設定部
１２   信号処理部
１３   階調補正部
１４   ホワイトバランス調整部
１５   色補間部
１６   色補正部
１７   色空間変換部
２０   変曲信号導出部
２１   評価値算出部
２２   制御装置
【図１】
2007324998.tif 000003
【図２】
2007324998.tif 000004
【図３】
2007324998.tif 000005
【図４】
2007324998.tif 000006
【図５】
2007324998.tif 000007